Photovoltaik 30.10.2009, 19:43 Uhr

Halbleitertechnologen optimieren Silizium-Solarzellen  

Hersteller von Fertigungsgeräten für die Chipindustrie haben die Photovoltaik auf Basis kristalliner Silizium-Wafer längst als lukratives Betätigungsfeld entdeckt. Auch am belgischen Forschungsinstitut IMEC geht es nicht mehr nur um Chips: Innovative Si-Zellen sollen kostengünstig und effizient sein. VDI nachrichten, Düsseldorf, 30. 10. 09, jdb

Photovoltaik auf der Basis der kristallinen Silizium-Wafer, ursprünglich eine Schlüsseltechnologie für die Halbleiterchips der Mikroelektronik, ist zu einem kommerziell sehr ertragreichen Technologiezweig herangereift, der die Weltmärkte der solaren Energieerzeugung zu 90 % dominiert. Das dürfte auch mittelfristig so bleiben – wenngleich die vielerorts informell angedachten Roadmaps technologieoffen sind und eigentlich nur höhere Effizienz und niedrigere Kosten pro erzeugtem Watt im Auge haben.

Der kürzeste Weg bei dieser Entwicklung führt, das hat die Evolution der Halbleiterchips gezeigt, am besten über kooperative F&E-Programme mit produktorientierten Firmen und längerfristig denkenden öffentlichen Forschungseinrichtungen.

Hier hat sich das 1984 gegründete flämisch-belgische IMEC (Interuniversitair Micro-Electronica Centrum) in Leuven in den 25 Jahren seines Bestehens und mit einem Jahresetat von knapp 300 Mio. € als weltweit anerkannter Technologieführer positioniert – im Wettbewerb z.B. zur US-amerikanischen, massiv vom Staat New York dotierten Forschungsuniversität UAlbany. Neben der aktuellen Halbleiterfertigung und Pionierleistungen in der sensorgestützten Medizinelektronik setzt IMEC nun verstärkt auf die Photovoltaik.

Und kann mit wegweisenden Erfolgen glänzen: Auf der kürzlich in Hamburg abgehaltenen 25. European Photovoltaic Solar Energy Conference (PVSEC) und mit weiteren Details auf einem Presse-Empfang Anfang Oktober meldete IMEC zusammen mit dem internationalen Energiekonzern BP Solar einen Wirkungsgrad von mehr als 18 % für kristalline Si-Zellen.

Das basiert, wie Jef Poortmans, Direktor des Photovoltaic-Programms bei IMEC, erklärt, im Wesentlichen auf zwei Innovationen: dem bei BP Solar entwickelten (und seinerseits vom US-Energieministerium unterstützten) „Mono2“-Si-Substrat, dessen kristallographische Orientierung anders als beim traditionellen Ziehen der Si-Einkristalle nach Czochalski so optimiert ist, dass sie äußerst defektfreie Wafer erzielt. Außerdem bringt Mono2 Kostenersparnisse auf dem Weg zu billigeren Modulen.

Bei IMEC hat man daraus 130 µm dünne und 156 mm x 156 mm große Si-Wafer mit dielektrischer Passivierung und rückseitigem lokalen Oberflächenfeld hergestellt, die zu Si-Solarzellen mit 18,4 % Wirkungsgrad führen. Dazu, so betont Poortmans, trägt auch der bei IMEC entwickelte Prozess mit flachen Emitterstrukturen und Kupfermetallisierung für die Zelle bei, der dem üblichen, „i-PERC“ (industrial passivated emitter and rear cells) genannten Prozess überlegen sei. Poortmans: „Diese Zellen und die neue Metallisierung sind ein weiterer Schritt hin zu IMECs Ziel, kostengünstigerer und zugleich effizienterer Si-Solarzellen – irgendwann mit einer Dicke von nur 40 µm und Wirkungsgraden über 20 %. Silizium könnte 30 % erreichen.“

Dies soll in der von Poortmans skizzierten Roadmap um 2020 in Gestalt der „U Cell“ erreicht sein. Daneben, das weiß auch Poortmans, gibt es parallele Entwicklungen zu Si-Epi- und Dünnschichtzellen mit anderen Substraten der III-V-Gruppe wie Galliumarsenid (GaAs), Indium, Phosphor und mit Germanium, auch als monolithisch integrierter Block aus übereinander „gestapelten“ Mehrfachzellen mit zwei oder drei stromproduzierenden Halbleiterübergängen. Deren Substrate sind auf einen je anderen spektralen Anteil der einfallenden Lichtwellenlängen sensibilisiert und optimiert.

Bei diesen Tandem- und Tripelzellen geht IMEC einen konsequenten Sonderweg: zu „mechanisch gestapelten“ Zellen. Sie sind nicht monolithisch integriert, also in enger Verbindung auf einem gemeinsamen Substrat aufgewachsen, sondern mechanisch übereinandergeschichtet. Vorteil: Alle Anschlusskontakte sind separat zugänglich, die einzelnen Übergänge sind nicht hintereinandergeschaltet, ihre Stromergiebigkeit kann einzeln optimiert werden.

Mit einer solchen geschichteten Tripelzelle aus InGaP/GaAs/Ge erreicht IMEC in einem aktuellen Demonstrator einen Wirkungsgrad von 23,4 %. Möglich, und im Frühjahr 2010 eventuell bereits erreicht, sind dort mehr als 40 %. Das wären einige Prozent mehr als bei monolithischen Dreifachzellen. Neben der billigeren Fertigung erwähnt IMEC vor allem die verbesserte „spektrale Robustheit“ der mechanisch gestapelten Zellen, das heißt, ihre Anpassung an den jeweils vorliegenden, geographisch und tageszeitlich variierenden Lichteinfall. Poortmans: „Mechanische Stacks sind deutlich komplexer in der Fertigung und im Anschluss. Aber sie eröffnen uns einen Weg zum Erproben neuer Materialkombinationen.“

Weitere konzeptionelle Untersuchungen bei IMEC befassen sich mit polymer-basierten organischen Solarzellen, die aus der Lösung geformt werden. IMEC erzeugt (zunächst) deren metallischen Anschlusskontakt auf der Oberseite mit einem Sprühverfahren anstelle des gängigen „Spin Coating“ und erzielt auch damit Wirkungsgrade um und über 3 %.

Auch kristalline Si-Tandemzellen mit extrem feinen, vertikal ausgerichteten Silizium-Nanodrähten (mit 4 nm Durchmesser) mit zahllosen p-i-n-Übergängen über einer gesonderten p-Si-Unterzelle werden erforscht.

WERNER SCHULZ

Von Werner Schulz
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